基于磁驱动液面微机器人的微操作方法研究.pdf

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1、工学硕士学位论文基于磁驱动液面微机器人的微操作方法研究RESEARCHONMICROMANIPULATIONMETHODSUSINGMAGNETICALLYACTUATEDMICROROBOTSATTHELIQUIDSURFACE何元哲哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TP242.3学校代码：10213国际图书分类号：681.5密级：公开工学硕士学位论文基于磁驱动液面微机器人的微操作方法研究硕士研究生：何元哲导师：王乐锋副研究员申请学位：工学硕士学科：机械电子工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学

2、ClassifiedIndex:TP242.3U.D.C:681.5DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONMICROMANIPULATIONMETHODSUSINGMAGNETICALLYACTUATEDMICROROBOTSATTHELIQUIDSURFACECandidate：HeYuanzheSupervisor：Assoc.Prof.WangLefengAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：Mecha

3、tronicEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学硕士学位论文摘要随着微纳技术的进步，微操作技术得到了快速发展，很多微操作方法被提出，其中包括一些液面上微操作的方法，以磁驱动的液面上微操作方法居多。但目前的方法适用的操作对象多局限于磁性微构件，且控制策略复杂。借鉴液体环境中的微操作方式，使用磁驱动微机器人在

4、液面执行微操作能实现无磁性微构件的操作，且控制策略相对简单，具有巨大的潜在应用价值。本文以磁驱动液面微机器人的静力学分析为基础，建立微机器人在梯度磁场和旋转磁场中的力学模型，分析磁场参数对微机器人运动的影响。以微机器人在液面上的力学模型为基础，分析它与微球的相互作用，提出微机器人操作微球的方法，建立模型分析磁场参数对操作效果的影响。开展相关实验，验证微机器人动力学模型，检验所提出的为操作方法的效果。首先，将微机器人简化为圆形薄片进行分析，基于Young-Laplace方程分析微机器人漂浮时附近液面的变形情况，建立微机器人在液面漂浮的静力学模型。以

5、静力学模型为基础，分别建立梯度磁场和旋转磁场驱动下微机器人在液面的动力学模型。梯度磁场驱动微机器人时，分析磁场梯度对它的运动速度的影响；旋转磁场驱动微机器人时，分析磁场倾斜角对微机器人姿态的影响，并讨论了磁场旋转频率和倾斜程度对微机器人运动速度的影响。其次，分析液面上漂浮微球的受力情况，结合液面微机器人静力学模型计算微机器人与微球的横向毛细力，分析微机器人姿态及其与微球间的中心距对毛细力的影响。提出基于液面微机器人的微操作方法，设计捕获、传输和释放三个基本操作的过程。建立梯度磁场和倾斜旋转磁场中微机器人传输微球的模型，分别分析磁场梯度、磁场旋转频

6、率对传输速度的影响，并比较两种传输方法的优势。计算释放过程中微球的移动距离，在理论上对释放效果进行评估。最后，开展相关实验验证理论模型和操作方法的有效性。确定不同类型磁场的产生方法，并使用COMSOL软件对磁场仿真验证，建立磁驱动液面微机器人实验系统。开展梯度磁场和倾斜旋转磁场中微机器人运动特性实验，测量微机器人的速度并分析磁场参数的影响，将实验结果与理论计算结果比较以验证理论模型。开展微机器人在液面操作锡球实验，检验所提出的方法的可行性，比较分析梯度磁场和旋转磁场驱动的传输操作的各自优势。使用所提出的操作方法开展液面锡球组装实验，展示微操作方法

7、的良好效果。关键词：液面微机器人；磁驱动；运动性能；微操作-I-哈尔滨工业大学硕士学位论文AbstractAsthemicro/nanotechnologydevelopsrecently,micromanipulationhasmaderapiddevelopment.Manystrategiesformicromanipulationincludingthoseattheliquidsurfacehavebeenproposed,ofwhichmanymanipulationsareactuatedbymagneticfields.Howev

8、er,micro-objectscapableofbeingmanipulatedthroughtheproposedmethodsar